淮河流域表層土壤濕度時(shí)空特征及其與地面降水的關(guān)系

黃勇，邱旭敏，黃國(guó)貴

1. 安徽省氣象科學(xué)研究所 安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2. 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)，安徽 壽縣 232200；3. 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457

淮河流域表層土壤濕度時(shí)空特征及其與地面降水的關(guān)系

黃勇1,2，邱旭敏3，黃國(guó)貴2

1. 安徽省氣象科學(xué)研究所 安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2. 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)，安徽 壽縣 232200；3. 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457

土壤濕度是陸面與大氣能量和物質(zhì)交換的關(guān)鍵物理量，除地面觀測(cè)外，衛(wèi)星遙感也是獲取土壤濕度的重要手段。本文針對(duì)歐洲衛(wèi)星氣象中心（EUMETSAT）基于衛(wèi)星遙感而研發(fā)的面向水文氣象衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品（H-SAF）中的土壤水分指數(shù)（SM-DAS-2）產(chǎn)品，分析產(chǎn)品在淮河流域土壤水分監(jiān)測(cè)中的適用性，為在淮河流域利用該產(chǎn)品開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。首先，分析了該產(chǎn)品監(jiān)測(cè)得到的中國(guó)土壤表層水分空間分布特征，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)淮河流域表層土壤濕度的時(shí)空分布特征；并結(jié)合中國(guó)氣象局發(fā)布的中國(guó)逐日降水量格點(diǎn)化產(chǎn)品，分析表層土壤濕度與降水量之間的相關(guān)關(guān)系，最后通過(guò)分析淮河流域土壤濕度與地面降水之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討土壤濕度對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)間。從分析結(jié)果來(lái)看，對(duì)于全國(guó)而言，該產(chǎn)品能夠有效地反映出土壤濕度的分布特征，并且能夠刻畫(huà)出較細(xì)致的空間分布規(guī)律。在淮河流域，土壤濕度產(chǎn)品和人工觀測(cè)數(shù)值之間具有性較好的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0.51，通過(guò)置信度0.05的t檢驗(yàn)），但SM-DAS-2產(chǎn)品指數(shù)偏低（SMDAS-2產(chǎn)品的年均值為0.6，地面觀測(cè)站監(jiān)測(cè)的表層土壤濕度為0.69）。表層土壤濕度總體上保持“南高北低”空間分布特征，并且空間分布存在著季節(jié)性差異。山區(qū)和河流附近區(qū)域是土壤濕度的高值中心，這一特征在夏秋兩季最為顯著。表層土壤濕度與降水之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而在山區(qū)和河流附近，兩者間的相關(guān)性變差。從時(shí)間上看，夏季是淮河流域表層土壤濕度與同期降水相關(guān)性最好的季節(jié)，總體上降水發(fā)生3 d以后表層土壤濕度才會(huì)對(duì)降水的變化產(chǎn)生響應(yīng)，土壤濕度對(duì)降水變化的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)能延長(zhǎng)到10~15 d。

淮河流域；SM-DAS-2；土壤濕度；降水

土壤濕度作為陸面與大氣能量和水分交換研究中的關(guān)鍵物理量，一直備受重視。Delworth et al.（1988）研究表明，在大陸上，土壤濕度和雪蓋對(duì)于氣候的“記憶效應(yīng)”的作用幾乎同等重要。Dirmeyer（2000）通過(guò)GCM模式模擬，認(rèn)為在干濕氣候的過(guò)渡地區(qū)土壤濕度對(duì)提高降水的可預(yù)報(bào)性具有較大意義。符淙斌等（1995）也指出氣候過(guò)渡帶在環(huán)境變化中比較敏感，氣候變率更加顯著。孫丞虎等（2005）通過(guò)分析中國(guó)東部1990—2000年旬平均土壤濕度的時(shí)空分布特征指出，表層土壤濕度異常的第一旋轉(zhuǎn)空間模態(tài)出現(xiàn)在淮河流域，正是淮河流域地表層對(duì)氣候變率最為敏感的反映。周娟等（2017）研究表明，土壤濕度與高原季風(fēng)之間也存在顯著相關(guān)關(guān)系。李潤(rùn)春等（2017）認(rèn)為，渭河流域前一年秋季和當(dāng)年春季土壤濕度與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)呈顯著正相關(guān)，秋季和春季陸面土壤濕度狀況對(duì)東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱有正反饋的作用。此外，青藏高原的土壤濕度對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的夏季降水有著顯著影響（李登宣等，2016；王靜等，2016）。以上研究均表明，土壤濕度除對(duì)農(nóng)作物存在顯著影響（董彬，2012；沈振西等，2015；沈振西等，2016；付剛等，2017；）外，還對(duì)于天氣氣候有著重要的作用。

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）和美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的再分析資料，全球土壤濕度計(jì)劃的資料（GSWP2），以及國(guó)家大氣研究中心（NCAR）利用觀測(cè)資料強(qiáng)迫“通用陸面模式”CLM所產(chǎn)生的土壤濕度資料，是幾種較為常用的土壤濕度資料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)4種土壤濕度資料的應(yīng)用做了大量分析研究。張文君等（2008）對(duì)4種資料在中國(guó)的可靠性做了詳細(xì)分析。崔文瑞等（2009）對(duì)ECMWF的ERA40和NCEP的R-1中黑河流域的再分析資料進(jìn)行對(duì)比分析。胡婭敏等（2009）將GSWP2資料同化進(jìn)區(qū)域氣候模式BCC_RegCM1.0（簡(jiǎn)稱(chēng)RegCM）的土壤濕度場(chǎng)中，改進(jìn)了區(qū)域氣候模擬。郭維棟等（2007）通過(guò)將一個(gè)土壤濕度反演模型引入IAP跨季度氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，探討了土壤濕度應(yīng)用于季節(jié)降水預(yù)測(cè)的可行性及效果。王迪等（2015）對(duì)CLM4.5數(shù)據(jù)集的分析表明，CLM4.5存在高估表層土壤濕度的現(xiàn)象。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的主被動(dòng)微波傳感器資料在土壤濕度估計(jì)中得到了深入的應(yīng)用。包括：2009年歐洲太空局（ESA）發(fā)射的土壤濕度與海水鹽度衛(wèi)星SMOS；2015年美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）發(fā)射的SMAP（Soil Moisture Active and Passive）衛(wèi)星；以及Metop衛(wèi)星上搭載的ASCAT（Advanced Scatterometer）和Aqua衛(wèi)星上搭載的AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System）（張秀英等，2010；蘭鑫宇等，2015；李哲等，2017）。這些衛(wèi)星和探測(cè)器都為大范圍的土壤濕度數(shù)據(jù)收集提供了基礎(chǔ)的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)。

根區(qū)土壤水分指數(shù)（SM-DAS-2）產(chǎn)品，是歐洲衛(wèi)星氣象中心（EUMETSAT）組織研制的一套土壤濕度產(chǎn)品。該產(chǎn)品是面向水文的氣象衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品（H-SAF）之一，通過(guò)同化ASCAT反演的表層土壤濕度產(chǎn)品后得到。作為一種土壤濕度資料，在歐洲經(jīng)過(guò)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，同化后的土壤水分產(chǎn)品比ASCAT數(shù)據(jù)直接反演的土壤水分產(chǎn)品具有較小的偏差和均方根誤差。反演得到的地表土壤水分（表層2 cm）被向下擴(kuò)展到地表下2.89 m，提供了4層土壤水分產(chǎn)品，分別是0~7、7~28、28~100、100~289 cm。

本文主要應(yīng)用SM-DAS-2產(chǎn)品分析土壤濕度的時(shí)空特征及其與降水的相關(guān)性，以更好地應(yīng)用這種土壤濕度數(shù)據(jù)。考慮到淮河流域?yàn)楦蓾駳夂蜻^(guò)渡帶，其表層對(duì)氣候變率最為敏感，且SMDAS-2產(chǎn)品中表層以下均由模式模擬得到，因此主要探討淮河流域表層土壤（0~7 cm）與降水的相關(guān)性。

1 資料和方法

所用資料包括土壤水分指數(shù)（SM-DAS-2）產(chǎn)品的表層（0~7 cm）土壤單位體積含水量，以及空間分辨率。該降水產(chǎn)品基于中國(guó)2419國(guó)家級(jí)地面氣象站日降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用“基于氣候背景場(chǎng)”的最優(yōu)插值方法，實(shí)時(shí)生成格點(diǎn)化產(chǎn)品（沈艷等，2010）。

在分析土壤濕度與降水間相關(guān)關(guān)系時(shí)，分別計(jì)算時(shí)間相關(guān)系數(shù)和空間相關(guān)系數(shù)，并計(jì)算時(shí)滯相關(guān)系數(shù)。由于SM-DAS-2產(chǎn)品的空間分辨率0.225°×0.225°與日降水產(chǎn)品0.25°×0.25°的空間分辨率不相匹配，在計(jì)算空間相關(guān)系數(shù)時(shí)，以0.25°×0.25°降水網(wǎng)格為基準(zhǔn)，采用間接重采樣的方法，將SM-DAS-2產(chǎn)品處理成0.25°×0.25°的產(chǎn)品，使之與降水產(chǎn)品的空間分辨率相一致，在此基礎(chǔ)上計(jì)算兩者的時(shí)空相關(guān)系數(shù)。

空間相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式：

式中，A表示土壤濕度，B表示降水量；A 表示土壤濕度的空間平均值，B表示降水量的空間平均值；i，j為區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，N、M為橫、縱向網(wǎng)格點(diǎn)的總數(shù)。

時(shí)間相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式：

式中，A表示土壤濕度，B表示降水量；A 表示土壤濕度的時(shí)間平均值，B表示降水量的時(shí)間平均值；i表示一年中的第i天。

2 土壤濕度分布特征

圖1 中國(guó)區(qū)域土壤濕度指數(shù)年平均空間分布圖Fig. 1 Spatial distrbution of soil moisture index for China and nearby

圖1 為2012年SM-DAS-2土壤水分指數(shù)產(chǎn)品中表層土壤濕度指數(shù)全年平均值的空間分布。從圖中可以看出，表層相對(duì)濕度總體上呈現(xiàn)南高北低的空間分布，長(zhǎng)江以南的區(qū)域?yàn)橥寥栏邼穸葏^(qū)域，最大值中心區(qū)域位于中國(guó)西南中部（四川省一帶）；濕度最小的區(qū)域位于西北地區(qū)新疆、甘肅到內(nèi)蒙西部一帶和青藏高原西北部。另外，中國(guó)東北地區(qū)土壤濕度也相對(duì)較高，遼寧—吉林一帶處于土壤濕度相對(duì)較高的中心。孫丞虎等（2005）利用1990—2000年?duì)顩r較好的中國(guó)114站的土壤濕度（土壤重量含水百分率）資料，得到中國(guó)土壤濕度空間分布的氣候特征：0~50 cm各層土壤濕度均呈“兩濕一干”分布，其中，東北、華東較為潮濕，華北則較為干燥，尤其河套地區(qū)是土壤干中心。與空間分布的氣候特征相比，SM-DAS-2土壤水分指數(shù)產(chǎn)品的空間分布特征總體上相似，但存在局部差異。與地面觀測(cè)站得到的氣候特征相比，SM-DAS-2產(chǎn)品的差異主要表現(xiàn)在，（1）干中心位置和濕區(qū)極值中心位置不同；SM-DAS-2產(chǎn)品的干中心主要位于西北地區(qū)和青藏高原西北部，濕區(qū)極值中心位于位于四川省一帶。（2）SM-DAS-2產(chǎn)品刻畫(huà)的空間分布更加細(xì)膩。這主要是因?yàn)榈孛嬲军c(diǎn)的數(shù)量較少（114個(gè)）、空間分布不均勻（缺少西北地區(qū)的觀測(cè)站），導(dǎo)致氣候特征的空間分辨率和代表性不足，難以刻畫(huà)細(xì)致的空間分布，以及西北地區(qū)的土壤濕度分布。

從不同季節(jié)的空間分布（圖2）來(lái)看，空間分布規(guī)律總體上與年均分布相近，呈現(xiàn)出南高北低的特征。從馬思源等（2016）對(duì)歐洲航天局（European Space Agency）和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）兩套再分析土壤濕度產(chǎn)品的對(duì)比分析結(jié)果來(lái)看，SM-DAS-2產(chǎn)品在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的土壤空間分布與這兩套再分析資料的結(jié)果相近，也就是SM-DAS-2產(chǎn)品能夠反映出中國(guó)春、夏、秋3個(gè)季節(jié)土壤濕度的分布情況。另外，就冬季而言，在40°N以北的區(qū)域以及青藏高原和西部地區(qū)，SM-DAS-2產(chǎn)品所獲取的數(shù)值均低于0.1，土壤濕度小。冬季地面積雪、結(jié)冰、凍土等現(xiàn)象均會(huì)影響微波遙感探測(cè)土壤濕度的能力，而SM-DAS-2產(chǎn)品是以被動(dòng)衛(wèi)星微波遙感探測(cè)為基礎(chǔ)的土壤濕度產(chǎn)品，故該產(chǎn)品會(huì)受到冬季地面積雪、結(jié)冰、凍土等因素影響而在中國(guó)北部、西部以及青藏高原地區(qū)表現(xiàn)出大范圍的低值中心。此外，在SM-DAS-2產(chǎn)品空間分布圖中，還存著一些空白的區(qū)域。由于地表水體對(duì)土壤濕度的微波反演也存在一定影響，在計(jì)算過(guò)程中需要剔除地表水體的影響。因此，SM-DAS-2產(chǎn)品中剔除了內(nèi)陸大面積湖泊的土壤濕度反演數(shù)據(jù)，在空間分布圖中形成了一些零星分布的空白區(qū)域。

圖2 中國(guó)區(qū)域不同季節(jié)土壤濕度指數(shù)的空間分布Fig. 2 Spatial distrbution in difference season of soil moisture index for China and nearby

圖3 淮河流域全年平均的土壤濕度指數(shù)（左）和日降水量（右，單位：mm）空間分布Fig. 3 Spatial distribution of soil moisture (Left) and precipitation (Right, Unit: mm) for Huaihe River Basin and nearby

淮河流域作為干濕地區(qū)的過(guò)渡帶，干濕度隨季節(jié)變化明顯。從全年平均的空間分布（圖3左）來(lái)看，淮河流域的土壤濕度總體上呈現(xiàn)隨緯度升高而降低的“南高北低”空間分布規(guī)律。其中，淮河流域中部洪澤湖一帶出現(xiàn)了一個(gè)濕度大值中心。與地面觀測(cè)站監(jiān)測(cè)的表層土壤濕度相比，2012年兩者相關(guān)性較好（相關(guān)系數(shù)為0.51，通過(guò)置信度0.05的t檢驗(yàn)），但SM-DAS-2產(chǎn)品指數(shù)偏低（SM-DAS-2產(chǎn)品的年均值為0.6，地面觀測(cè)站監(jiān)測(cè)的表層土壤濕度為0.69）。

日降水量分布（圖3右）也呈現(xiàn)“南高北低”空間分布規(guī)律，即空間分布上，土壤濕度和日降水量之間總體上有著較好的一致性：降水量大的區(qū)域，土壤濕度大；反之，降水量小的區(qū)域，土壤濕度小。

春季，淮河流域土壤濕度具有顯著的緯向分布特征（圖4左），隨著緯度的升高，土壤濕度逐漸降低。與全年平均土壤濕度的分布（圖3左）相比，洪澤湖附近的濕中心不是很顯著。日降水量的分布（圖3右）與土壤濕度保持很好的一致性。

夏季，淮河流域的土壤濕度呈現(xiàn)出多個(gè)高值中心，且隨緯度升高、土壤濕度降低的特征也不顯著（圖4）。淮河流域及周邊區(qū)域內(nèi)，存在多個(gè)主要的濕區(qū)中心，分別位于淮河中部和東北部、大別山區(qū)、皖南山區(qū)、長(zhǎng)江中游、山東丘陵區(qū)以及伏牛山附近。從降水的空間分布（圖4右）來(lái)看，大降水中心主要位于大別山區(qū)、皖南山區(qū)、長(zhǎng)江中下游、淮河流域東部，以及淮河流域北側(cè)局部區(qū)域。從空間分布來(lái)看，除淮河?xùn)|北部、大別山區(qū)和皖南山區(qū)這3個(gè)高濕度的區(qū)域存在相對(duì)應(yīng)的大降水中心外，淮河中部、長(zhǎng)江中游、山東丘陵區(qū)以及伏牛山附近的高濕度區(qū)域，未出現(xiàn)相應(yīng)的大降水中心。也就是說(shuō)，在夏季土壤濕度的空間分布與日降水量之間存在的一定的差異。長(zhǎng)江中游、淮河中部均為主河道附近，長(zhǎng)江和淮河周邊區(qū)域土壤相對(duì)較濕，即使在本地?zé)o大降水的情況下，上游的來(lái)水也能使得這些區(qū)域具有較高的土壤濕度。就山東丘陵區(qū)和伏牛山而言，山區(qū)內(nèi)的植被覆蓋降低了土壤水分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的土壤具有相對(duì)較高的濕度。

秋季，土壤濕度的空間分布與夏季較為相似，只是伏牛山和山東丘陵的高值中心消失，并且在土壤濕度的數(shù)值上總體有所降低。降水的空間分布總體呈現(xiàn)“南多北少”，但是在淮河流域東部出現(xiàn)了2個(gè)降水大值中心。降水和土壤濕度的空間分布特征大體相似，但存在一些差異。主要表現(xiàn)為，（1）大別山區(qū)和大別山區(qū)的高土壤濕度區(qū)，均未對(duì)應(yīng)有大降水中心；（2）沿淮區(qū)域出現(xiàn)的高濕度中心也未對(duì)應(yīng)有大降水中心?；春右阅仙絽^(qū)的植被降低了土壤水分的蒸發(fā)，故雖然大別山區(qū)和皖南山區(qū)的降水量不是區(qū)域最大，但其土壤濕度卻是區(qū)域最高的?；春又械拇罅克w是造成沿淮區(qū)域土壤濕度偏高的主要因素。

圖4 淮河流域季節(jié)平均土壤濕度（左）和降水（右，單位：mm）的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of soil moisture index (Left) and precipitation (Right, Unit: mm) in difference season in Huaihe River Basin and nearby

就冬季而言，土壤濕度在總體保持“南高北低”這種分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，還在長(zhǎng)江中游、皖南山區(qū)和沿淮出現(xiàn)了3個(gè)高濕中心。受冬季固態(tài)降水的影響，多數(shù)緯度偏北的觀測(cè)都難以有效評(píng)估包含了固態(tài)降水的降水總量，因此日降水產(chǎn)品的空間分布特征僅反映降水的大致分布（維持“南高北低”的特征），難以細(xì)致地刻畫(huà)出區(qū)域內(nèi)降水的情況。因此，也就無(wú)法通過(guò)土壤濕度和降水的空間分布來(lái)評(píng)估土壤濕度和降水的相關(guān)性。

以上分析表明，SM-DAS-2產(chǎn)品能夠有效地描繪出中國(guó)土壤表層水分含量的空間分布，就淮河流域而言，土壤濕度呈現(xiàn)出了“南高北低”的特征，并且在山區(qū)和河流附近（沿長(zhǎng)江、沿淮河），土壤表層的水分含量較高。從表層土壤濕度與降水量空間分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，總體上兩者具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但這種對(duì)應(yīng)關(guān)系在山區(qū)和河流沿岸存在著不一致性。

圖5為淮河流域逐日土壤濕度與降水量的時(shí)序圖，從圖中可以看出，總體上土壤濕度對(duì)降水有較好的響應(yīng)，降水過(guò)程發(fā)生后，大部分土壤都出現(xiàn)了濕度增加的現(xiàn)象。但是，夏季流域內(nèi)存在著土壤濕度隨降水發(fā)生而持續(xù)降低的現(xiàn)象。如2012年7月初，雖然有間斷性的降水發(fā)生，但是土壤濕度卻出現(xiàn)了持續(xù)的降低。由于7月初淮河流域處于梅雨期，持續(xù)性的降水使得淮河流域的土壤濕度出現(xiàn)了飽和（土壤濕度指數(shù)接近1）。土壤飽和以后，降水過(guò)程無(wú)法再增加土壤濕度，而是形成地表匯流向主河道匯集。這也是造成7月初土壤濕度與降水之間相關(guān)關(guān)系較差的主要原因：土壤中水分飽和以后，降水無(wú)法再補(bǔ)充土壤水分。而在其他季節(jié)，由于土壤中的水分沒(méi)有達(dá)到飽和，降水的發(fā)生能夠有效地補(bǔ)充土壤中的水分，使得土壤濕度增加，此時(shí)土壤濕度與降水量之間具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 土壤濕度與降水之間的關(guān)系

為進(jìn)一步了解淮河流域土壤濕度與降水之間的關(guān)系，選取相關(guān)系數(shù)評(píng)判兩者之間的同步關(guān)系。圖6所示為淮河流域及周邊地區(qū)逐日土壤濕度與降水量之間相關(guān)系數(shù)的空間分布?？傮w上，土壤濕度與降水呈顯著正相關(guān)，且都通過(guò)了置信度0.05的t檢驗(yàn)。區(qū)域內(nèi)相關(guān)性最好的區(qū)域位于淮河流域中部和西部地區(qū)。

圖6 全年土壤濕度與降水間相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig. 6 Spatial distribution of the correlation coefficient between soil moisture and precipitation

從4個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)的空間分布（圖7）來(lái)看，春季相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域位于長(zhǎng)江中游附近，此外在淮河流域東南側(cè)（長(zhǎng)江下游）、山東丘陵和伏牛山附近分別存在1個(gè)相關(guān)系數(shù)大于0.5的區(qū)域。沿淮流域西北部及西側(cè)山區(qū)土壤濕度和降水之間相關(guān)程度較低，相關(guān)系數(shù)在0.2以下，部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)接近0，表示無(wú)相關(guān)性。

夏季的相關(guān)性最好，淮河流域大部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)都大于0.6，北部地區(qū)相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9，表現(xiàn)出很好的一致性變化。但是，在長(zhǎng)江流域（包括中游和下游），兩者的相關(guān)系數(shù)較低。尤其是在長(zhǎng)江下游，相關(guān)系數(shù)小于0.2，部分區(qū)域接近0。

秋季是一年四季中土壤濕度和降水相關(guān)性最差的季節(jié)，大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)都在0.2~0.4之間，只有極個(gè)別小區(qū)域的相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.4。此時(shí)，長(zhǎng)江中游土壤濕度和降水的相關(guān)性最大，而大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)都小于0.2。

圖5 土壤濕度指數(shù)與降水量的逐日變化Fig. 5 Time series of soil moisture index and precipitation

圖7 不同季節(jié)土壤濕度與降水間相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig. 7 Spatial distributions in different seasons of correlation coefficient between soil moisture and precipitation

冬季土壤濕度和降水相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)“南北低、中間高”的分布特征，相關(guān)性最好的區(qū)域位于研究區(qū)域的中部，其中，淮河流域西側(cè)山區(qū)的相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)最大值超過(guò)0.6。相關(guān)系數(shù)最小的區(qū)域位于淮河流域西北部，最小值接近0，表示無(wú)明顯相關(guān)性。另外，在長(zhǎng)江下游，相關(guān)性也較差，相關(guān)系數(shù)在0.3以下，部分區(qū)域低于0.1。

圖8 淮河流域土壤濕度和降水量相關(guān)系數(shù)時(shí)序圖Fig. 8 Time series of correlation coefficient between soil moisture and precipitation

圖9 時(shí)滯相關(guān)系數(shù)（負(fù)X軸為降水超前，正X軸為降水滯后）Fig. 9 Lag correlation coefficient (negative X axis: precipitation ahead, positive X axis: precipitation lag)

從相關(guān)系數(shù)的逐日變化（圖8）可知（注：流域降水為0時(shí)，無(wú)法計(jì)算當(dāng)日相關(guān)系數(shù)，因此對(duì)其作滑動(dòng)平均處理），土壤濕度與當(dāng)日降水間的相關(guān)關(guān)系存在著明顯起伏式變化，但總體上存在顯著的相關(guān)性。從時(shí)滯相關(guān)系數(shù)（圖9）可知，當(dāng)降水超前土壤濕度時(shí)，可維持10~15 d的顯著正相關(guān)；而當(dāng)降水落后土壤濕度時(shí)，能維持3~55 d的顯著正相關(guān)。同時(shí)，從圖9中可以看出，在降水超前3 d時(shí)，相關(guān)系數(shù)最高。也就是說(shuō)，降水發(fā)生后，大多數(shù)情況下3 d以后表層土壤濕度才會(huì)對(duì)降水的變化產(chǎn)生響應(yīng)。土壤濕度對(duì)降水變化的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)能延長(zhǎng)到10~15 d。

4 結(jié)論

利用歐洲衛(wèi)星氣象中心（EUMETSAT組織）的SM-DAS-2土壤水分指數(shù)產(chǎn)品，在對(duì)比分析了土壤濕度空間分布特征與已有研究成果之間一致性的基礎(chǔ)上，討論了淮河流域表層土壤濕度的空間分布特征，及其與降水之間的關(guān)系。結(jié)果表明：

（1）SM-DAS-2土壤水分指數(shù)產(chǎn)品能夠較好地反映中國(guó)表層土壤濕度的空間分布規(guī)律，并且具有較高的空間分辨率，能夠刻畫(huà)出較細(xì)致的空間分布特征。

（2）淮河流域的表層土壤濕度總體上呈現(xiàn)“南高北低”的空間分布特征，并且還存在著季節(jié)性變化。山區(qū)和河流附近土壤濕度都較高，并且這一特征在夏秋兩季最為明顯，冬季最不顯著。

（3）淮河流域降水與表層土壤濕度有顯著的季節(jié)性特征，且二者空間分布特征較為相似；但對(duì)于山區(qū)和河流附近土壤而言，降水與土壤濕度間的關(guān)系存在著不一致性。夏季是淮河流域表層土壤濕度與同期降水相關(guān)性最好的季節(jié)，春秋季節(jié)較差。

（4）對(duì)于淮河流域而言，總體上在降水發(fā)生3 d以后表層土壤濕度才會(huì)對(duì)降水的變化產(chǎn)生響應(yīng)。土壤濕度對(duì)降水變化的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)能延長(zhǎng)到10~15 d。

致謝：感謝歐洲衛(wèi)星氣象中心和國(guó)家氣象信息中心數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)提供的土壤濕度和網(wǎng)格化降水產(chǎn)品；感謝審稿專(zhuān)家提供的寶貴意見(jiàn)。

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HUANG Yong, QIU Xumin, HUANG Guogui.

The Relationship between Surface Soil Moisture and Precipitation in Huaihe River Basin

HUANG Yong1,2, QIU Xumin3, HUANG Guogui1,2
1. Anhui Meteorology Institute Anhui Key Lab of Atmospheric Science and Remote Sensing, Hefei 230031, China; 2. Shouxian Climatology Observatory, Shouxian 232200, China; 3. Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau, Tianjin, 300457, China

Soil moisture is a key factor for the energy and matter exchange between land surface and atmosphere. In addition to the field observation, satellite remote sensing is also an important method for the soil moisture measure. In this study, the soil moisture index in the roots region product (SM-DAS-2) which is developed by EUMETSAT Hydrology Satellite Application Facility (HSAF) is applied in Huaihe River Basin, and the applicability of this produce in soil moisture monitoring is analyzed to provide better foundation for the application of this product. In this paper, the ability of monitoring the soil moisture over China is analyzed at the first step. And then, the spatial and temporal characters of soil moisture in Huaihe River basin were studied, and its relationship with the precipitation was analyzed with daily precipitation products from China Meterological Administration (CMA). At last, the relationship of SM-DAS-2 and precipitation is calculated to discuss the response time of soil moisture to precipitation downloaded from CMA. As the results shown, SM-DAS-2 data could embody the spatial characteristics of soil moisture distribution in China. As to Huaihe River Basin, the soil moisture indexes of SM-DAS-2 were similar to the observed data in Meteorology Observatory (correlation coefficient was 0.51, which was tested by T with confidence level of 0.05). But soil moisture indexes of SM-DAS-2 were lower than observation data (annual data of SM-DAS-2 was 0.6, and the observation data was 0.69).The surface soil moisture shows a “Dry North, Wet South” pattern, and it was changed with season. The wet center is located in the mountain and the river areas which are stronger in summer and autumn. The study also shows that the soil moisture was obviously increasing with the rainfall. However, the relationship was less obvious in the mountain and the river regions. In summer, this relationship is even stronger when compared with other seasons. In general, the surface soil moisture response 3 days after the rainfall. And the longest period of rain affecting surface moisture could be 10~15 days later.

Huaihe River basin; SM-DAS-2; soil moisture; precipitation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.003

P933; X16; X14

A

1674-5906（2017）04-0561-09

黃勇, 邱旭敏, 黃國(guó)貴. 2017. 淮河流域表層土壤濕度時(shí)空特征及其與地面降水的關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(4): 561-569.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41275030）；公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201306040）；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1508085MD64）；中國(guó)氣象局項(xiàng)目（CMAGJ2015M28）

黃勇（1980年生），高級(jí)工程師，博士，主要從事大氣遙感應(yīng)用技術(shù)研發(fā)工作。E-mail: hy121_2000@126.com

2017-01-06